航空发动机极端条件下液雾自燃特性研究进展

贫油预混预蒸发（LPP）燃烧是目前最先进的民用航空发动机低排放燃烧技术,但在预混过程中面临的自燃与回火等风险,已成为制约其发展的瓶颈问题。在航空发动机燃烧室的高温（最高1000K）、高压（最高6MPa）来流极端条件下,预混预蒸发段内自燃属于受限空间内的液雾自燃,本文对与液雾自燃相关的实验研究进行回顾和分析。首先,描述民用航空发动机LPP燃烧室内的液雾自燃过程,分析液雾自燃的影响因素和特点,指出液雾自燃的重点研究方向;其次,对与液雾自燃密切相关的化学自燃研究进行简要综述,总结各物理参数对化学自燃的影响规律;最后,重点分析液雾自燃的实验研究现状,展示航空发动机极端条件下的液雾自燃随机性研究进展,探讨液雾自燃研究面临的问题和后续发展趋势。     

高温高压下航空煤油横向喷射自燃延迟时间特性研究

基于一套二元流动反应器,采用先进毫秒级光电测量系统,对高温高压下航空煤油横向喷射自燃延迟时间(ADT)进行了研究。实验工况为:空气总压p_t=0.5~1.5 MPa、空气总温T_t=830~1 000 K、空气速度v_a=40~50 m/s、燃油动量比q=15~80、韦伯数We=90~250。基于实验结果,得到ADT的经验关系式。最后分析了燃油破碎雾化时间、蒸发时间及化学反应时间与航空煤油ADT的耦合关系。该研究结果可为航空发动机燃烧室预混段几何尺寸设计提供重要的工程依据。     

有机凝胶偏二甲肼液滴着火燃烧特性及影响因素实验研究

针对自燃推进剂接触就能着火燃烧的特点,设计实现了高压飞滴及常压挂滴两套单液滴燃烧实验系统,并开展了有机凝胶偏二甲肼（UDMH）液滴在四氧化二氮（NTO）氧化剂环境中着火燃烧的实验研究,深入分析了其着火燃烧特性及NTO氧化剂浓度、温度、压力、对流速度、液滴初始尺寸的影响。结果表明：有机凝胶UDMH液滴表面液体燃料耗尽后会形成弹性胶凝剂膜,促使液滴内部出现沸腾蒸发及非稳态蒸汽喷射,导致燃烧火焰出现剧烈扰动。NTO浓度升高,增大了扩散燃烧火焰范围,加速液滴表面燃料蒸汽分解燃烧,有利于提高燃烧速率。NTO温度越低,着火延迟时间越长,并容易导致熄火。NTO对流速度越大,也会增加着火延迟时间,且更容易形成脱体火焰,使其燃烧速率降低。凝胶液滴尺寸越大,其着火延迟时间受对流速度的影响明显减小。NTO压力升高会抑制燃料蒸汽喷射强度,形成更稳定且更靠近液滴表面的双火焰结构。     

加力燃烧室热射流点火的燃油自燃规律研究

为了分析燃油在高温高速气流中自燃延迟时间与燃气流动速度、燃气温度、喷油量等的关系,通过模拟试验,开展了热射流点火的燃油在高温高速气流中自燃规律的研究,经分析得出:气流温度对自燃有明显影响,在模拟的范围内存在1个自燃温度临界点(1160 K);气流温度、气流压力的升高使自燃延迟距离和延迟时间减小;气流速度的增大使自燃延迟距离增加。研究结果为航空发动机加力燃烧室的热射流点火系统和供油系统等的设计提供初步试验依据。     

凹腔支板火焰稳定器自燃点火性能初步试验

以凹腔支板火焰稳定器为研究对象,在进口温度为750~900℃、马赫数为0.20~0.28、氧气体积分数为13.4%~15.8%、喷嘴距支板前缘5~50mm及常压的条件下,开展自燃点火性能的试验研究。试验表明:凹腔支板火焰稳定器在进口温度为850℃以上可成功实现自燃点火。自燃点火性能随进口温度的升高而提高;随着进口马赫数的提高,火焰稳定器自燃点火成功的温度范围越窄;随着燃油喷射距离的增大,稳定器自燃点火性能有所提高。稳定器的凹腔结构能够稳定火焰。      

自燃推进剂旋转爆震燃烧实验研究

为了拓展旋转爆震燃烧方式在液体火箭发动机领域的应用范围,以一甲基肼为燃料,四氧化二氮为氧化剂,在圆环形燃烧室中组织旋转爆震燃烧。燃烧室内径为30mm,外径为60mm,采用了24对撞击式喷嘴,氧化剂喷孔0.4mm,燃料喷孔0.3mm。用稳态压力传感器和高频动态压力传感器记录供应及燃烧状态。实验中发现:自燃推进剂能够发生旋转爆震燃烧,频率达到7340Hz,爆震波峰值压力达到0.6MPa,爆震波速度达到1384m/s;爆震波引起的压力震荡可向上游喷注器传播;由于自燃推进剂为液/液反应,着火延迟时间约为10ms,在本燃烧室中该时间大于爆震波旋转一周所需的时间,因而爆震波到达时仍有较多的可燃混合物能够参与爆震燃烧;自燃推进剂发生旋转爆震燃烧需要足够大的流量密度,本实验中最小为103.7kg/(s?m2);自燃推进剂在富燃条件下更容易发生旋转爆震燃烧。实验结果表明在火箭的姿态控制发动机上应用旋转爆震燃烧具有一定的可行性。     

环形燃烧室中自燃推进剂的非稳态旋转爆震现象

为研究环形燃烧室中自燃推进剂旋转爆震波的传播特性,以一甲基肼和四氧化二氮为推进剂,在圆环形燃烧室中组织旋转爆震燃烧。燃烧室外径和内径分别为60 mm和30 mm,采用了24对撞击式喷嘴,四氧化二氮的喷孔直径为0.4 mm,一甲基肼的喷孔直径为0.3 mm,通过高频脉动压力传感器记录了旋转爆震波的传播过程。研究结果表明:自燃推进剂的旋转爆震燃烧过程具有高度非稳态特性,不仅各个旋转周期之间存在明显差异,而且同一个传播周期内旋转爆震波的强度也是动态变化的;对于自燃推进剂的旋转爆震燃烧的产生及维持过程来说,外界激励不起决定性作用,燃烧室几何构型、流量和混合比对旋转爆震燃烧的影响更大。     

过氧化氢双组元发动机推力室研究

在过氧化氢发动机预先研究项目中,开展了过氧化氢／烃燃料（煤油）推进剂的自燃点火研究,包括自燃燃料开发、推力室设计及冷、热试考核。设计了25N、30N、50N和50kN推力量级的推力室。经热试车考核,点火平稳可靠,燃烧稳定,室压粗糙度小于±5％,燃烧效率高于92％,设计方案合理。     

双组元非自燃推进剂姿控发动机关键技术的探讨

讨论了液体双组元非自燃推进剂姿态控制发动机关键技术及其可能的解决途径.文中引用了喷气技术公司对2758N气氧/酒精推力室做的实验结果.     

过氧化氢和自燃燃料的双组元发动机研制

使用剧毒推进剂,如N_2O_4/肼类,将会变得越来越困难。一方面,一些环保法规和出于安全方面的考虑使得这些推进剂的价格大大提高;另一方面,这些推进剂在未来的推进系统中的使用也被严格限制。因此,必须使用低毒推进剂来替代以前的剧毒推进剂。比如,采用火箭用过氧化氢(RGHP)和燃料组成的双组元推进剂(以及相应的催化剂)。本文介绍了过氧化氢和甲醇组成的双组元推进剂(采用金属锰作为催化剂)的一些初步的研究工作,包括理论性能估算,点火试验,发动机发展过程,喷注器设计,以及样机试验。